Predictibilidad intraestacional de la precipitación en el sudeste de Sudamérica durante el verano austral.

Resumen

En esta tesis, estudiamos la predictibilidad intraestacional (IS) de las precipitaciones sobre regiones de Sudamérica (SA) durante el verano austral, aquí definido como los meses entre Diciembre y Marzo (DJFM). Durante estos meses, el Sistema Monzónico de Sudamérica (SAMS) presenta su estación lluviosa cubriendo extensas áreas de SA y afectando los acumulados de precipitación sobre la cuenca Amazónica y gran parte de la cuenca del Plata. Estas son regiones con alto índice de población e intensa actividad productiva que, por lo tanto, requieren de pronósticos confiables que permitan tomar decisiones para mitigar el efecto de eventos extremos de precipitación.      

El Dipolo de lluvias de Sudamérica (SAD) es el principal modo de variabilidad intraestacional del SAMS. El mismo presenta una estructura espacial dipolar, con centros ubicados sobre el Sudeste de Sudamérica (SESA) y sobre la Zona de Convergencia del Atlántico Sur (SACZ). Estas regiones presentan comportamientos lluviosos y secos  -- opuestos entre sí -- dentro de la escala IS, y han sido asociados a a la ocurrencia de inundaciones y sequías extremas. En este trabajo, estudiamos la predictibilidad IS del SAD y su dependencia con la Oscilación de Madden-Julian (MJO). La MJO, es el modo de variabilidad IS más importante a escala global, y se ha encontrado que provee predictibilidad dentro de la escala IS sobre regiones remotas.

En primer lugar, estudiamos la predictibilidad del SAD mediante un índice representativo del dipolo, y analizamos la información mutua entre estados futuros y presentes. Encontramos que  el SAD presenta dos ventanas de predictibilidad dentro de la escala IS: entre 5-15, y 60-70 días. Amabas ventanas muestran resultados significativos con un intervalo de confianza del 99%, y son robustas a las variaciones de los parámetros introducidos por la metodología. 

Luego, analizamos las anomalías de circulación atmosféricas asociadas a la ventana entre 5-15 días, construyendo composites para algunos campos relevantes. Encontramos que la emergencia de esta venta de predictibilidad está asociada a la actividad de la MJO previa a la ocurrencia de eventos lluviosos/secos en las regiones SESA y SACZ. En particular, nuestros resultados muestran que eventos de precipitación por encima [debajo] de lo normal en SESA [SACZ], ocurren entre 10-20 días luego de que la MJO se encontrara activa sobre la fase 2 (es decir, con su centro convectivo sobre el Océano Índico). Dentro de esta ventana temporal se establece, sobre SA, un patrón espacial asociado a una onda de Rossby extratropical, el cual modifica la circulación local favoreciendo la ocurrencia de precipitaciones sobre SESA. A su vez, la MJO se propaga hacia el Este y, cuando su centro convectivo se posiciona sobre SA, éste inhibe las precipitaciones sobre SACZ.

Nuestra principal contribución a partir de este análisis es la distinción entre distintos tipos de trayectorias de MJO: las trayecotrias Largas e Intensas (LIT), y las No Largas e Intensas (NLIT). Estos conjuntos de trayectorias se asemejan a eventos MJO que son capaces o no, respectivamente, de propagarse más allá del Continente Marítimo. Nuestros resultados muestran que este tipo de eventos MJO afectan de forma distinta al SAD: mientras que el tren de ondas de Rossby extratropical es similar para ambos conjuntos, la propagación hacia el este de la MJO únicamente afecta la región SACZ para el conjunto LIT. Como resultado, encontramos que los eventos con lluvia por encima de lo normal en SESA presentan predictibilidad para ambos conjuntos de trayectorias, mientras que los eventos con lluvia por debajo de lo normal en SACZ únicamente presentan predictibilidad para el conjunto LIT. Esto implica, además, que la fase correspondiente del SAD presenta predictibilidad para ambos conjuntos, principalmente debido a la influencia de las condiciones sobre SESA.

Finalmente, construimos un modelo para la MJO basado en datos, lo cual nos permite caracterizar su evolución y estudiar cómo sus propiedades son moduladas por otros modos climáticos. Particularmente, aplicamos el Sparse Identification of Nonlinear Dynamics (SINDy) y buscamos modelos dinámicos bidimensionales de las dos componentes principales del índice MJO basado únicamente en la radiación saliente de onda larga (OMI). Implementamos SINDy sobre un conjunto de muestras randómicas del índice OMI -- tomando varias realizaciones de muestras randómicas -- e inferimos modelos para cada realización. Además, estudiamos la dependencia de los modelos inferidos con El Niño Oscilación Sur (ENSO). 

Nuestros principales resultados muestran que la MJO puede ser representada, con mayor frecuencia, como un oscilador armónico. Este modelo sencillo reproduce la propagación hacia el Este de la MJO, y presenta un período característico cercano a los 60 días. Este período depende de la fase de ENSO, de forma tal que la MJO presenta un período de 58 y 66 días, durante años Niño y Niña respectivamente. Es decir, la MJO es más rápida [lenta] durante años Niño [Niña]. Sobre la estructura básica del oscilador armónico, otros modelos frecuentemente inferidos presentan pequeñas correcciones lineales o no lineales. En particular, nuestros resultados muestran que la MJO es modelada más frecuentemente como un oscilador no lineal durante años Niño, mientras que es modelada más frecuentemente como un oscilador lineal durante años Niña. La no linealidad durante años Niño juega un rol fundamental en explicar la velocidad de propagación no uniforme de la MJO y su aceleración observada al pasar sobre el Continente Marítimo.

En resumen, esta tesis contribuye a mejorar nuestro entendimiento de la predictibilidad del SAD, su relación con la MJO, y los mecanismos físicos asociados con la predictibilidad IS del SAD. Más aún, el trabajo contribuye al entendimiento de la variabilidad que la MJO presenta evento a evento, y su dependencia con ENSO.

Abstract

In this thesis, we study the intraseasonal (IS) predictability of precipitation over regions of South America (SA) during the austral warm season, here considered from December to March (DJFM). During these months, the South American Monsoon System (SAMS) exhibits its wet season covering large areas of SA and affecting rainfall amounts over the Amazon and most of the La Plata basin regions. These are highly populated and productive regions, which rely on reliable forecasts that can help defining plans to mitigate the impacts of extreme precipitation events.

The South American Dipole (SAD) is the main mode of intraseasonal variability of the SAMS. It presents a dipolar spatial structure, with centers located over the Southeastern South America (SESA) and South Atlantic Convergence Zone (SACZ). These regions exhibit wet and dry out of phase conditions within the IS time-scale, and have been related to the occurrence of extreme flood and drought events. Here, we study  SAD's IS predictability and its dependency on the Madden-Julian Oscillation (MJO). The MJO is the most important mode of IS variability at a global scale, and it has been shown to provide predictability within the IS time-scale over remote regions.

First, we assessed the predictability of the SAD by constructing an index of this dipole and by analyzing the lagged mutual information between future and present states. We found that the SAD presents two predictability time-windows within the IS time-scale: between 5-15, and 60-70 days. Both time windows are significant at a 99% confidence level and insensitive to variations in the parameters introduced by our methodology.

Then, we analyzed the atmospheric circulation anomalies associated to the window between 5-15 days, constructing composites of relevant fields. We found that the emergence of this predictability window is related to MJO's activity before the occurrence of anomalous wet/dry conditions over the SESA and SACZ regions. Particularly, our results show that above [below] normal precipitations over SESA [SACZ] occur between 10-20 days after the MJO was active over phase 2 (namely, with its convective center over the Indian Ocean). Within that time window, an extratropical Rossby wave pattern is established over SA that changes the local circulation, favoring the occurrence of precipitations over SESA. Meanwhile, the MJO propagates eastward and, when the dry center gets to be positioned over SA, it inhibits precipitations over the SACZ.

Our main contribution from this analysis is the distinction between two types of MJO's trajectories: the Long and Intense (LIT) and Not Long and Intense (NLIT). These sets resemble MJO events that are able or unable to propagate beyond the Maritime Continent, respectively. We show that these type of MJO events affect the SAD distinctively: while the extratropical Rossby wave trains are similar for both sets, the tropical eastward propagation of MJO only affects the SACZ region for the LIT set. As a result, we find that SESA wet events are predictable from both sets of trajectories, while dry events over the SACZ are only predictable from the LIT set. This also means that the SAD's corresponding phase presents predictability from both sets, being mainly influenced by SESA wet conditions. 

Finally, we constructed a model for the MJO based on a data-driven methodology, which allows to characterize its evolution and study how its properties are modulated by other climate modes. Particularly, we apply the Sparse Identification of Nonlinear Dynamics (SINDy) and look for bi-dimensional dynamical models of the first two principal components of the outgoing longwave radiation MJO index (OMI). We implement SINDy to randomly sampled OMI data -- over several realizations of the sampling -- and infer models for each realization. We study the dependency of the inferred models on El Niño Southern Oscillation (ENSO). 

Our main results show that the MJO can be most frequently represented by a harmonic oscillator. This simple model reproduces MJO's eastward propagation and presents a characteristic period of nearly 60 days. This period depends on the ENSO phase, such that the MJO presents a period of 58 and 66 days during El Niño and La Niña, respectively. That is, MJO propagates faster [slower] during El Niño [La Niña]. Upon the basic structure of the harmonic oscillator, other frequently inferred models show small linear or nonlinear corrections. Particularly, we show that the MJO is most frequently modeled as a nonlinear oscillator during El Niño years, while during La Niña years, it is most frequently modeled as a linear oscillator. The nonlinearity during El Niño years plays a fundamental role in explaining MJO's non-uniform speed of propagation and its observed acceleration when passing over the Maritime Continent. 

Overall, this thesis contributes to improving our understanding of the predictability of the SAD, its relation to MJO's activity, and the physical mechanisms associated with SAD's IS predictability. Moreover, the study contributes to understanding MJO's event to event variability and its dependency on ENSO.